14. Система и её элементы. Классификация систем
📋 План занятия
- 00:00-00:15: Введение в понятие "система". Примеры из окружающего мира
- 00:15-00:25: Практическая работа: анализ реальных устройств
- 00:25-00:35: Анализ робота Line Follower как системы
- 00:35-00:40: Классификация систем. Объяснение ДЗ
🎯 Основной материал
Ключевые понятия:
- Система: Целое, состоящее из взаимосвязанных частей (элементов) и обладающее свойствами, которых нет у отдельных частей
- Элемент: Простейшая, неделимая в рамках данной системы часть (например, колесо в системе "велосипед")
- Подсистема: Часть системы, которая сама является системой (например, тормозная система в автомобиле)
- Связь: Отношения и взаимодействия между элементами системы
- Структура: Способ организации и связи элементов между собой
- Внешняя среда: То, что окружает систему и влияет на неё, но не входит в неё
- Классификация систем: Искусственные/естественные, технические/биологические/социальные, динамические/статические, управляемые/неуправляемые
Практическое задание на уроке:
Задача: Проанализировать робота Line Follower как систему
Цель: Научиться выделять элементы, подсистемы, понимать структуру и внешнюю среду технической системы
Инструкция: 1) Изучите схему робота. 2) Выделите основные подсистемы. 3) Определите элементы в каждой подсистеме. 4) Опишите внешнюю среду и её влияние
• Сенсорная (ИК-датчики линии, фотодиоды)
• Управляющая (контроллер Arduino, программа)
• Исполнительная (моторы с колёсами, драйвер моторов)
• Механическая (рама, крепления, корпус)
• Энергетическая (аккумулятор, провода, стабилизатор)
📝 Домашнее задание
Системный паспорт робота
Цель задания: Научиться анализировать технические системы, выделять их компоненты и классифицировать
Что нужно сделать:
- Описать робота как систему, выделив 2-3 основные подсистемы и 2-4 ключевых элемента в каждой
- Дать классификацию одной подсистемы на члена команды по 3 различным основаниям с обоснованием
Требования к выполнению:
- Подсистемы должны соответствовать реальному устройству робота (сенсорная, управляющая, исполнительная)
- Элементы должны быть конкретными (не "электроника", а "контроллер Arduino Uno", "ИК-датчики TCRT5000")
- Классификация должна включать минимум 3 разных основания (например: по происхождению, по сложности, по управляемости)
- Для каждого пункта классификации нужно указать причину выбора
- Заполнить "Системный паспорт" в тетради или электронном документе
🔍 Дополнительно
❓ Частые вопросы по теме
Чем система отличается от простого набора элементов?
Система обладает системным эффектом — свойствами, которых нет у отдельных элементов. Например, отдельно взятые педали, цепь и колесо не могут перевозить человека, но вместе они образуют велосипед — систему, которая это умеет.
Что такое внешняя среда и почему она важна?
Внешняя среда — всё, что влияет на систему, но не входит в неё. Для робота Line Follower это трасса, освещение, качество поверхности. Робот должен адаптироваться к изменениям среды — например, корректировать скорость на поворотах или при разном освещении.
Зачем нужно классифицировать системы?
Классификация помогает понять общие принципы работы разных систем, переносить знания из одной области в другую. Зная, что робот — управляемая динамическая система, мы можем применять к нему методы управления, разработанные для других таких систем.
???? Полезные ссылки
Схемы робота: Схема1 |
15. Эмерджентность и иерархичность систем
📋 План занятия
- 00:00-15:00: Актуализация. Разбор домашнего задания "Системный паспорт"
- 15:00-25:00: Новая тема. От частей к целому: целостность и эмерджентность
- 25:00-35:00: Практическая работа. Иерархия и эмерджентность робота
- 35:00-40:00: Рефлексия. Объяснение нового домашнего задания
🎯 Основной материал
От анализа к синтезу: от частей к целому
На прошлом уроке вы выполнили важную работу — разобрали робота на части, выделили подсистемы и элементы. Это называется анализом или декомпозицией системы. Вы создали "Системный паспорт" — список ингредиентов.
Но возникает вопрос: Умеет ли коробка с этими деталями ездить по линии? Нет. А собранный робот — должен. В чём секрет?
Секрет не в деталях, а в том, КАК они соединены и взаимодействуют. Сегодня мы сделаем обратный ход — от частей перейдём к целому и узнаем, какие новые свойства рождаются при сборке.
Закономерности систем: Целостность и Иерархичность
Система — это не просто набор деталей. Свойства целого (системы) НЕ СВОДЯТСЯ к сумме свойств его частей. Целое обладает чем-то новым, чего нет у отдельных элементов.
Аналогия: Мозаика. Разрозненные кусочки стекла — просто цветные осколки. Сложенные в определённом порядке, они создают картину, которой не было у отдельных частей.
Любая сложная система состоит из подсистем, а те — из более мелких элементов. Это уровни вложения или "матрешка".
Аналогия: Армия. Армия (система) → Дивизии (подсистемы) → Полки → Роты → Солдаты (элементы).
Ключевое понятие: Эмерджентность
Эмерджентность (от англ. emerge — появляться) — это появление у системы новых свойств, которых не было у её отдельных элементов. Главное проявление целостности.
Путь свойства: от детали к системе
Свойство: "видит" линию
Свойство: "крутится"
Свойство: "обрабатывает код"
НОВОЕ СВОЙСТВО:
"Следует по линии" Эмерджентное
- Вода (H₂O): Водород горит, кислород поддерживает горение. Но вода — тушит огонь. "Мокрость" — эмерджентное свойство.
- Мелодия: Отдельные ноты "до" или "ми" — просто звуки. Их последовательность рождает мелодию, вызывающую эмоции.
- Велосипед: Руль, колёса, цепь по отдельности не могут "ехать". Собранные вместе — дают способность к перемещению.
Рабочий лист: От анализа к синтезу
Блок 1: Мой Системный паспорт (итог ДЗ)
Кратко повторите:
1. ___________________________
2. ___________________________
3. ___________________________
• ___________________________
• ___________________________
• ___________________________
Блок 2: Иерархическая схема
Нарисуйте схему вашего робота, выделив 3 уровня:
(Робот LF)
(Управляющая, Исполнительная...)
(Контроллер, моторы, датчики...)
Блок 3: Эмерджентные свойства
Заполните таблицу: Примеры для вдохновения — можно использовать как шаблон или придумать свои
| Желаемое свойство робота | Какие элементы/подсистемы нужны? | Почему это свойство эмерджентное? |
|---|---|---|
| Пример: Корректировка скорости на поворотах (робот плавно замедляется перед резким поворотом) |
• Сенсорная: массив ИК-датчиков • Управляющая: ПИД-алгоритм • Исполнительная: 2 мотора с ШИМ-управлением | Ни датчики, ни моторы по отдельности не "понимают" повороты. Свойство возникает только при цикле взаимодействия: измерение → вычисление радиуса → коррекция скорости. |
| Ваше свойство 1, напр.: «Стабильное движение при разном освещении» | Перечислите элементы, например: калиброванные ИК-датчики, адаптивный алгоритм, стабильное питание | Объясните, почему ни один элемент в одиночку не обладает этим свойством |
| Пример: Выполнение задачи с финишем (робот останавливается после обнаружения финишной метки) |
• Сенсорная: датчик финишной метки • Управляющая: программа с конечным автоматом • Исполнительная: моторы с командой "стоп" | Способность "осмысливать задачу" не присуща железу. Это информационное свойство, реализуемое логикой программы, но проявляющееся только при работе всего робота в реальном мире. |
| Ваше свойство 2, напр.: «Движение с минимальными колебаниями по центру линии» | Перечислите элементы, например: точные датчики, ПИД-регулятор, сбалансированный корпус | Объясните, что плавность — не характеристика детали, а качество поведения всей системы |
???? Примеры эмерджентных свойств для вашего робота
При заполнении Блока 3 в рабочем листе используйте эти примеры как ориентир:
1. Автономное следование по сложной трассе
Нужно: Массив датчиков + ПИД-алгоритм + дифференциальный привод
Почему эмерджентное: Ни один элемент не "знает" о трассе. Свойство рождается из синхронного взаимодействия.
2. Адаптация к внешним условиям
Нужно: Калиброванные датчики + адаптивный алгоритм + стабильное питание
Почему эмерджентное: Устойчивость возникает благодаря резервированию и обратным связям всей системы.
3. Выполнение задачи с финишем
Нужно: Датчик финиша + конечный автомат в программе + команда "стоп" моторам
Почему эмерджентное: Способность "осмысливать задачу" реализуется логикой программы, но проявляется только при работе всего робота.
"Это свойство эмерджентное, потому что датчик только подает сигнал, мотор только вращает колесо, а программа только обрабатывает данные. Способность 'планово двигаться по маршруту' возникает исключительно при их согласованной работе, управляемой алгоритмом."
Практическая работа на уроке
Задание для проектных групп:
Используя ваш готовый «Системный паспорт» как основу:
- Постройте наглядную иерархическую схему вашего робота (3 уровня: Система - Подсистемы - Ключевые элементы).
- Сформулируйте 2-3 эмерджентных свойства, которые появятся у робота, когда все элементы будут работать вместе.
- Объясните, почему каждое свойство нельзя приписать ни одному элементу в отдельности.
"Корректировка траектории движения в реальном времени на основе данных сенсоров"
Объяснение: Ни программа сама по себе, ни датчики, ни моторы не могут этого сделать. Только их взаимодействие порождает это новое свойство.
Важный нюанс: Эмерджентность бывает не только положительной (новые возможности), но и отрицательной — могут появиться новые проблемы, например, перегрев системы при длительной работе.
📝 Домашнее задание
Развитие "Системного паспорта": Эмерджентность и иерархия
Цель: Зафиксировать в проектном документе переход от понимания состава системы к пониманию её целостных свойств и структуры.
Что нужно сделать:
- Раздел "Эмерджентность" (письменно в Паспорт):
На основе сегодняшней работы чётко сформулируйте 2-3 эмерджентных (интегральных) свойства вашего робота. Для каждого свойства дайте краткое объяснение: какие подсистемы и как должны взаимодействовать, чтобы это свойство появилось? - Раздел "Иерархическая схема" (схема/рисунок в Паспорт):
Оформите созданную на уроке иерархическую схему системы «Ваш Робот» в виде аккуратного рисунка или блок-схемы с обязательным выделением 3-х уровней.
Пример оформления:
Объяснение: Для этого нужно взаимодействие сенсорной подсистемы (обнаружение метки), управляющей (обработка сигнала и принятие решения) и исполнительной (прекращение движения). Ни одна подсистема в отдельности не обладает этим свойством.
Эмерджентное свойство 2: «Устойчивое движение по сложной траектории (резкие повороты)».
Объяснение: Результат синхронизации скорости моторов (исполнительная), частоты опроса датчиков (управляющая) и геометрии колёсной базы (механическая).
Форма выполнения:
Заполнение соответствующих разделов в «Паспорте проекта». Можно использовать компьютерную графику или аккуратный ручной рисунок для схемы.
🔍 Дополнительно
❓ Вопросы для размышления
Может ли эмерджентное свойство быть предсказано до сборки системы?
Частично — да, если мы понимаем принципы взаимодействия элементов. Но часто появляются непредвиденные свойства (как положительные, так и отрицательные). Например, при сборке робота может обнаружиться, что он хорошо справляется с плавными поворотами, но плохо — с резкими.
Что важнее для системы: элементы или связи между ними?
И то, и другое. Без качественных элементов система не будет работать. Но без правильных связей даже лучшие элементы не дадут нужного результата. Например, самый точный датчик бесполезен, если он неправильно подключен к контроллеру.
Можно ли изменить эмерджентное свойство, не меняя элементов?
Да, изменив связи или алгоритмы взаимодействия. Например, поменяв программу (алгоритм) робота, можно изменить его поведение на трассе, хотя все детали остались прежними.
🔗 Полезные материалы
16. Системный анализ и принятие решений. Сравнение альтернатив
📋 План занятия
- 00:00-00:15: Введение в системный анализ. Формализация задачи выбора
- 00:15-00:35: Определение альтернатив и критериев для выбора сенсорного массива
- 00:35-01:00: Практика: заполнение таблицы сравнения конфигураций датчиков
- 01:00-01:25: Анализ таблицы. Методы взвешенного принятия решений
- 01:25-01:30: Объяснение домашнего задания
🎯 Основной материал
Ключевые понятия:
- Принятие решений: Выбор одного варианта из нескольких возможных на основе анализа информации
- Альтернатива: Один из возможных вариантов решения задачи или достижения цели
- Критерий: Признак или показатель, по которому оцениваются и сравниваются альтернативы
- Системный анализ: Метод исследования сложных систем для принятия обоснованных решений
- Взвешенное решение: Решение, учитывающее важность разных критериев
Сравнение конфигураций датчиков для Line Follower
| Критерий / Альтернатива | 2 датчика | 3 датчика в ряд | 5 датчиков |
|---|---|---|---|
| Точность определения края линии | Определяют только факт нахождения на линии | Позволяет определить смещение от центра | Точное определение позиции и угла поворота |
| Стоимость | Минимальное количество компонентов | На 50% больше датчиков, чем у 2-х | В 2.5 раза больше датчиков, сложная разводка |
| Сложность настройки ПО | ПИД-регулятор не требуется, простые условия | Требуется ПИД или пропорциональное управление | Сложная калибровка, продвинутые алгоритмы |
| Занимаемое место на шасси | Компактное размещение | Требуется место для линейного размещения | Большая площадь, сложная компоновка |
| Устойчивость к помехам | Ошибка одного датчика критична | Средний запас по отказам | Может работать даже при отказе 1-2 датчиков |
Практическое задание на уроке:
Задача: Выбрать оптимальную конфигурацию датчиков для первого прототипа
Цель: Научиться проводить сравнительный анализ альтернатив по нескольким критериям
Инструкция: 1) Изучите таблицу сравнения. 2) Определите приоритеты для вашего проекта (что важнее: точность или простота?). 3) Проведите "мозговой штурм" в команде. 4) Заполните таблицу весов критериев. 5) Сделайте обоснованный выбор.
• Простота настройки: 🔴 Высокий приоритет (чтобы быстро получить работающий прототип)
• Стоимость: 🟠 Средний приоритет (бюджет ограничен)
• Точность: 🟢 Низкий приоритет (для первого прототипа достаточно базовой точности)
→ Выбор: 2-3 датчика как компромиссный вариант
📝 Домашнее задание
Сравнительный анализ альтернатив
Цель задания: Закрепить навыки системного анализа и обоснованного принятия решений на примере выбора конфигурации датчиков
Что нужно сделать (доработка классной работы):
- Добавьте 1-2 критерия к таблице сравнения (например, "время монтажа", "точность на поворотах", "энергопотребление")
- Заполните таблицу весов критериев для вашего проекта (оцените важность каждого критерия от 1 до 5 баллов)
- Сделайте итоговую оценку каждой альтернативы с учетом весов критериев (простая сумма баллов)
Требования к выполнению:
- Новые критерии должны быть релевантными для проекта робота
- Веса критериев должны быть обоснованы (почему один критерий важнее другого?)
- Итоговая таблица должна содержать: критерии, веса, оценки для 2-3 альтернатив, сумму баллов
- В выводе указать выбранный вариант и краткое обоснование (2-3 предложения)
- Работа выполняется в тетради или в электронном виде (Word/Excel/Google Docs)
Форма сдачи:
Индивидуально или в парах: Таблица сравнения с добавленными критериями и весами + вывод с обоснованием выбора.
Пример структуры вывода: "Для нашего первого прототипа мы выбираем конфигурацию из 3 датчиков, потому что... (указать 2 основные причины, связанные с критериями)".
🔍 Дополнительно
❓ Частые вопросы по теме
Что делать, если одна альтернатива лучше по одним критериям, а другая — по другим?
Используйте метод взвешенной суммы: 1) Назначьте вес каждому критерию по важности. 2) Оцените каждую альтернативу по каждому критерию (например, от 1 до 5). 3) Умножьте оценку на вес критерия. 4) Сложите результаты для каждой альтернативы. Альтернатива с наибольшей суммой — оптимальна.
Сколько критериев должно быть для хорошего сравнения?
Оптимально 3-5 ключевых критериев. Слишком мало (1-2) — сравнение будет неполным. Слишком много (10+) — анализ станет громоздким и сложным для интерпретации. Критерии должны быть существенными, измеримыми и независимыми друг от друга.
Как учитывать субъективные факторы (например, "удобство монтажа")?
Субъективные критерии можно включить в анализ, но их нужно максимально конкретизировать. Вместо "удобство" используйте "время сборки в минутах" или "количество операций пайки". Если нельзя измерить количественно, используйте качественные оценки ("низкое/среднее/высокое") и будьте последовательны в оценках.
🔗 Полезные ссылки
- YouTube: Сравнение работы роботов с разным числом датчиков — наглядная демонстрация различий
- Instructables: Робот с 3 датчиками — пример реализации с ПИД-регулятором
- Arduino Project Hub: Базовый Line Follower — простой вариант с 2 датчиками
17. Парето-оптимальные решения. Многокритериальный выбор
📋 План занятия
- 00:00-00:10: Введение в многокритериальные задачи. Концепция Парето-оптимальности
- 00:10-00:20: Пример из жизни: выбор ноутбука, квартиры, автомобиля
- 00:20-00:30: Практика: анализ моделей шасси с Thingiverse по критериям
- 00:30-01:35: Построение Парето-фронта. Поиск компромиссных решений
- 00:35-00:40: Объяснение домашнего задания
🎯 Основной материал
Ключевые понятия:
- Парето-оптимальность: Состояние системы, при котором невозможно улучшить один параметр, не ухудшив другой
- Многокритериальная задача: Задача выбора, в которой нужно учитывать несколько противоречивых критериев
- Компромисс: Решение, в котором приходится жертвовать одним качеством ради другого
- Парето-фронт (граница Парето): Множество всех Парето-оптимальных решений
- Доминируемое решение: Решение, которое хуже другого хотя бы по одному критерию и не лучше ни по одному
📊 Пример Парето-оптимальности из жизни: выбор ноутбука
Критерии: 1) Мощность процессора, 2) Время автономной работы, 3) Вес, 4) Цена
Проблема: Нельзя взять одновременно самый мощный, самый легкий, с самой долгой батареей и самый дешевый ноутбук.
Парето-оптимальные варианты:
• Мощный игровой ноутбук (высокая производительность, но тяжелый и дорогой)
• Ультрабук (легкий и стильный, но средняя производительность)
• Бюджетный ноутбук (дешевый, но тяжелый и не очень мощный)
Выбор: Зависит от приоритетов пользователя. Парето-оптимальность помогает отбросить заведомо плохие варианты (например, тяжелый, слабый и дорогой ноутбук).
Модели шасси для 3D-печати (примеры с Thingiverse)
Model A: "Simple Rover"
Простая конструкция, минималистичный дизайн. Вес: 120г, время печати: 4ч, толщина стенок: 2мм. Подходит для начинающих.
Model B: "Modular Chassis"
Модульная конструкция, много посадочных мест. Вес: 180г, время печати: 6ч, толщина стенок: 2.5мм. Универсальный вариант.
Model C: "Competition Frame"
Профессиональное шасси, аэродинамический дизайн. Вес: 250г, время печати: 8ч, толщина стенок: 3мм. Для соревнований.
График Парето: прочность vs. вес шасси
Объяснение: На графике показана зависимость между двумя противоречивыми критериями (например, прочностью и весом). Точки на оранжевой линии образуют Парето-фронт — это множество оптимальных решений, где нельзя улучшить один параметр, не ухудшив другой. Все решения, находящиеся ниже и левее этой линии (в серой области), являются доминируемыми — они хуже по обоим параметрам и должны быть отброшены при принятии решения.
Изображение: Пример Парето-фронта в многокритериальной оптимизации.
Практическое задание на уроке:
Задача: Выбрать оптимальную модель шасси для 3D-печати
Цель: Научиться применять концепцию Парето-оптимальности для принятия решений при противоречивых критериях
Инструкция: 1) Изучите 3-4 модели шасси с Thingiverse (преподаватель покажет). 2) Определите для каждой модели значения по критериям: прочность, вес, сложность печати, наличие креплений. 3) Постройте простую таблицу сравнения. 4) Определите, какие варианты являются Парето-оптимальными. 5) Сделайте выбор с учетом приоритетов вашего проекта.
| Модель | Прочность | Вес | Сложность |
|---|---|---|---|
| Simple Rover | ⭐⭐ | ⭐ (легкий) | ⭐ (простая) |
| Modular Chassis | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐ |
📝 Домашнее задание
Анализ Парето-оптимальности для выбора шасси
Цель задания: Применить концепцию Парето-оптимальности на практике при выборе компонента для проекта
Что нужно сделать (доработка классной работы):
- Найдите на Thingiverse 2 разные модели шасси для Line Follower (используйте запрос "line follower chassis stl")
- Проведите оценку по 3-4 критериям: прочность (толщина стенок), вес (г), сложность печати (наличие поддержек), наличие посадочных мест для датчиков
- Определите, есть ли Парето-оптимальный вариант или выбор требует приоритезации критериев (что для вашего проекта важнее: легкость или прочность?)
- Зафиксируйте итоговое решение в системном паспорте проекта
Требования к выполнению:
- Модели должны быть реальными (скопируйте ссылки на Thingiverse)
- Критерии оценки должны быть конкретными (не "хорошая прочность", а "толщина стенок 2.5мм")
- Анализ должен включать сравнение по принципу Парето: можно ли улучшить один критерий, не ухудшив другие?
- Если Парето-оптимальный вариант неочевиден, нужно объяснить, как вы будете делать выбор (какой критерий самый важный)
- Решение должно быть обосновано с точки зрения целей вашего проекта
Форма сдачи:
В системный паспорт проекта: Добавьте раздел "Выбор шасси" с таблицей сравнения 2 моделей, анализом Парето-оптимальности и обоснованием выбора.
Пример структуры: 1) Ссылки на модели. 2) Таблица сравнения по критериям. 3) Анализ (является ли одна модель Парето-оптимальной?). 4) Итоговый выбор и обоснование (2-3 предложения).
🔍 Дополнительно
❓ Частые вопросы по теме
Всегда ли существует единственный Парето-оптимальный вариант?
Нет, обычно существует множество Парето-оптимальных решений (Парето-фронт). Например, среди ноутбуков может быть несколько моделей, каждая из которых оптимальна по своему сочетанию характеристик. Выбор между ними требует дополнительных предпочтений (субъективных факторов).
Как работать с критериями, которые нельзя измерить количественно?
Используйте качественные оценки (низкий/средний/высокий) или ранжирование (1-е место, 2-е место). Важно быть последовательным: если для одного варианта вы поставили "высокую" эстетику, то для другого с похожим дизайном тоже должна быть "высокая". Можно преобразовать качественные оценки в баллы (низкий=1, средний=2, высокий=3).
Что делать, если все варианты Парето-оптимальны?
Если все варианты находятся на Парето-фронте, значит, они все по-своему хороши. Нужно ввести дополнительные критерии или приоритеты. Например: "Для учебного проекта важнее простота сборки, чем максимальная прочность". Или провести голосование в команде по субъективным предпочтениям.
🔗 Полезные ссылки
- Thingiverse: Поиск моделей шасси — база 3D-моделей для печати
- Wikipedia: Pareto efficiency — подробное объяснение концепции
- YouTube: Объяснение Парето-оптимальности — визуальное объяснение на примерах
- Совет преподавателю: Заранее сохраните 3-4 конкретные модели шасси с Thingiverse, чтобы на уроке не тратить время на поиск. Обратите внимание на лицензии (желательно Creative Commons).
18. Метод анализа иерархий (МАИ)
📋 План занятия
- 00:00-00:05: Введение в метод анализа иерархий. Основные понятия
- 00:05-00:10: Построение иерархии для выбора микроконтроллера
- 00:10-00:20: Практика: попарное сравнение критериев (голосование в классе)
- 00:20-00:30: Качественный анализ результатов. Определение весов критериев
- 00:30-00:40: Объяснение домашнего задания
🎯 Основной материал
Ключевые понятия метода анализа иерархий (МАИ):
- Иерархия: Многоуровневая структура, представляющая цель, критерии и альтернативы
- Попарное сравнение: Метод оценки, при котором элементы сравниваются попарно по их важности или предпочтительности
- Весовые коэффициенты: Числа, показывающие относительную важность критериев или предпочтительность альтернатив
- Матрица сравнений: Таблица, в которой записываются результаты попарных сравнений
- Согласованность: Мера логичности и непротиворечивости проведенных сравнений
📝 МАИ для школьников: пошаговый гайд
Определяем цель
"Выбор мозга для робота" — какой микроконтроллер лучше всего подходит для нашего Line Follower?
Выписываем критерии
Что для нас важно в микроконтроллере? Например: цена, количество портов, размеры, удобство отладки, энергопотребление.
Выписываем варианты (альтернативы)
Какие микроконтроллеры мы рассматриваем? Например: Arduino Uno, Arduino Nano, Arduino Mega, ESP32.
Проводим попарное сравнение критериев
Используем простую шкалу: 1 — равно важны, 3 — важнее, 5 — намного важнее. Заполняем таблицу.
Делаем вывод
На основе сравнений определяем, какие критерии самые важные, и выбираем оптимальный вариант.
Иерархия выбора микроконтроллера
Таблица попарного сравнения критериев (пример)
| Критерий 1 vs Критерий 2 | Оценка | Объяснение |
|---|---|---|
| Цена vs Производительность | 5 (цена намного важнее) | Для учебного проекта бюджет ограничен |
| Кол-во портов vs Размеры | 3 (порты важнее) | Нужно подключить датчики и моторы, размер можно компенсировать |
| Удобство отладки vs Энергопотребление | 1 (равно важны) | И то, и другое важно для успеха проекта |
Шкала оценок: 1 — равно важны, 3 — немного важнее, 5 — намного важнее. Обратные значения (1/3, 1/5) используются, когда второй критерий важнее первого.
Сравнение популярных микроконтроллеров
Arduino Uno
Arduino Nano
ESP32
Практическое задание на уроке:
Задача: Провести упрощенный МАИ для выбора микроконтроллера
Цель: Научиться строить иерархии и проводить попарные сравнения для принятия обоснованных решений
Инструкция: 1) В команде определите 3-4 ключевых критерия выбора микроконтроллера для вашего проекта. 2) Постройте иерархию (цель → критерии → альтернативы). 3) Проведите попарное сравнение критериев методом голосования в команде. 4) Заполните таблицу сравнений. 5) На основе качественного анализа сделайте предварительный выбор контроллера.
| Сравнение | Голосование команды (3 человека) | Итог |
|---|---|---|
| Цена важнее количества портов? | ✅ ✅ ❌ (2 за, 1 против) | Цена немного важнее (оценка: 3) |
| Размеры важнее удобства отладки? | ❌ ❌ ✅ (1 за, 2 против) | Отладка немного важнее (оценка: 1/3) |
📝 Домашнее задание
Упрощенный метод анализа иерархий для выбора микроконтроллера
Цель задания: Применить метод анализа иерархий на практике для обоснования выбора ключевого компонента робота
Что нужно сделать (доработка классной работы):
- Постройте полную иерархию выбора микроконтроллера с 3 уровнями: цель → 3-4 критерия → 2-3 альтернативы (можно добавить ESP32 или другие платы)
- Проведите попарное сравнение критериев в команде, заполните таблицу с использованием шкалы 1-3-5
- Сделайте качественный вывод о важности критериев (какой критерий самый важный по результатам сравнений?)
- Дайте рекомендацию для проекта на основе анализа (какой контроллер выбрать и почему?)
Требования к выполнению:
- Иерархия должна быть нарисована или создана в графическом редакторе (можно от руки)
- Таблица попарных сравнений должна содержать все возможные пары из 3-4 критериев
- Для каждого сравнения должно быть краткое обоснование (почему вы поставили такую оценку?)
- Вывод должен содержать: 1) самый важный критерий, 2) рекомендуемый контроллер, 3) связь между важностью критериев и выбором контроллера
- Если в команде были разногласия при сравнении, укажите это и объясните, как пришли к согласию
Форма сдачи:
Письменная работа: 1) Рисунок иерархии. 2) Таблица попарных сравнений критериев. 3) Краткий вывод и рекомендация (полстраницы).
Пример структуры вывода: "По результатам попарных сравнений самый важный критерий для нашего проекта — [название критерия]. Поэтому мы рекомендуем выбрать [название контроллера], потому что он [преимущество по главному критерию]. Второй по важности критерий — [название], и выбранный контроллер также [соответствует/не совсем соответствует] ему, потому что..."
🔍 Дополнительно
❓ Частые вопросы по теме
Чем МАИ лучше простого сравнения по критериям?
МАИ заставляет системно подходить к выбору: 1) Вы явно формулируете цель. 2) Определяете все relevant критерии. 3) Оцениваете их относительную важность (а не рассматриваете как равнозначные). 4) Сравниваете альтернативы по каждому критерию. Это снижает вероятность субъективных ошибок и делает выбор более обоснованным.
Что делать, если при попарном сравнении получаются противоречивые результаты?
Противоречия — нормальная часть процесса. Если "A важнее B", "B важнее C", но "C важнее A" — это нарушение транзитивности. В упрощенном МАИ для школьников достаточно обсудить противоречия в команде и переголосовать. В полном МАИ вычисляется индекс согласованности, но для учебного проекта это излишне.
Как выбрать шкалу для попарных сравнений?
Для школьных проектов достаточно простой шкалы: 1 (равно), 3 (важнее), 5 (намного важнее). Можно использовать и слова: "равно", "немного важнее", "заметно важнее", "намного важнее", "крайне важно". Главное — использовать шкалу последовательно для всех сравнений.
🔗 Полезные ссылки
- Arduino: Сравнение плат — официальная сравнительная таблица
- ESP32: Технические характеристики — информация о популярном контроллере
- YouTube: Введение в метод анализа иерархий — наглядное объяснение метода
- Совет преподавателю: Проведите голосование в классе по каждому попарному сравнению критериев (например, "Что важнее для робота — цена или количество портов?"). Это оживит урок и покажет, как работают групповые решения.
19. Коллективная генерация идей. Мозговой штурм
📋 План занятия
- 00:00-00:10: Введение в мозговой штурм. 4 главных правила
- 00:10-00:30: Практическая сессия: компоновка компонентов на шасси
- 00:30-00:35: Презентация идей группами
- 00:35-00:40: Отбор наиболее перспективных идей. Объяснение ДЗ
🎯 Основной материал
Ключевые понятия:
- Мозговой штурм: Метод коллективного поиска решений, основанный на свободной генерации идей
- Генерация идей: Процесс создания максимального количества вариантов без оценки их качества
- Этапы мозгового штурма: Подготовка, генерация, анализ и отбор идей
- Модератор: Ведущий, который следит за соблюдением правил и фиксирует идеи
4 главных правила мозгового штурма
Нет критики!
Никаких «это не сработает» или «глупая идея». Любая идея имеет право на существование.
Чем больше — тем лучше
Количество переходит в качество. Чем больше идей, тем выше шанс найти гениальную.
Приветствуются безумные идеи
Самые неожиданные решения часто оказываются лучшими. Фантазируйте!
Комбинируй и улучшай
Можно развивать идеи других, объединять их и дополнять.
Макет шасси для компоновки
Размеры шасси: 150 мм × 100 мм (примерно как лист A5)
Бумажные компоненты для раскладки:
Инструкция: В люом редакторе подготовьте блоки и перемещайте их по контуру шасси, ища оптимальное расположение.
Наводящие вопросы для мозгового штурма
- [Батарея] Где разместить тяжелую батарею? Чтобы робот не падал на поворотах, чтобы центр тяжести был низко и по центру?
- [Провода] Как спрятать провода? Чтобы они не мешали колесам, не путались, были доступны для пайки?
- [Датчики] Как быстро менять датчик, если он сломается? Нужен ли быстросъемный разъем или можно припаять намертво?
- [Кнопка] Где разместить кнопку включения? Чтобы удобно нажимать, но случайно не задеть?
- [USB] Как обеспечить доступ к USB-порту для загрузки кода? Нужно ли вырезать отверстие в шасси?
- [Компоновка] Как сделать так, чтобы все компоненты поместились? Может быть, разместить в два этажа?
- [Ремонт] Как обеспечить ремонтопригодность? Где сделать легкий доступ к часто ломающимся деталям?
Шаблон для фиксации идей
| № | Идея (краткое описание) | Автор | Развитие / комментарий |
|---|---|---|---|
| 1 | Поставить батарею снизу, под платой | Анна | Низкий центр тяжести, но сложно менять батарею |
| 2 | Сделать отсек для проводов в центре | Иван | Аккуратно, но меньше места для других компонентов |
| 3 | Вынести датчики на съемной планке | Мария | Удобно менять, но нужны разъемы |
Сценарий мозгового штурма (20 минут)
Задача: Оптимально разместить электронные компоненты на напечатанном шасси
Цель: Обеспечить устойчивость, доступность и ремонтопригодность робота
Ход сессии:
- 00:00-00:02 (подготовка): Разделиться на группы по 3-4 человека. Выбрать модератора, который будет записывать идеи и следить за правилами. Получить контур шасси и набор бумажных компонентов.
- 00:02-00:05 (разминка): Модератор напоминает 4 правила. Каждый участник по кругу предлагает по одной «безумной» идее (самую фантастическую, какую может придумать).
- 00:05-00:15 (генерация): Основная часть. Участники перемещают бумажные компоненты по контуру, предлагают варианты расположения. Модератор фиксирует каждую идею в таблицу без критики. Поощряются любые варианты.
- 00:15-00:20 (обсуждение): Группа просматривает все идеи, выбирает 3-4 самых перспективных для презентации.
• «Повесить батарею сбоку как рюкзак, чтобы освободить место сверху»
• «Сделать двухэтажную конструкцию: внизу батарея и моторы, сверху плата»
• «Спрятать провода в специальные каналы, напечатанные в шасси»
• «Разместить датчики на гибкой планке, чтобы они подпружинивались к поверхности»
📝 Домашнее задание
Фиксация результатов мозгового штурма
Цель задания: Закрепить результаты коллективной работы и принять решение о компоновке робота
Что нужно сделать (доработка классной работы):
- Зафиксировать в системном паспорте 3 самых перспективных идеи компоновки, которые возникли в ходе мозгового штурма.
- Для каждой идеи кратко описать: в чем суть, какие плюсы и минусы
- Выбрать 1-2 идеи для реализации и обосновать выбор (почему именно эти варианты лучше других?)
Требования к выполнению:
- Идеи должны быть описаны конкретно (не «хорошо разместить», а «батарея снизу, плата сверху на стойках»)
- Для каждой идеи указать минимум 1 плюс и 1 минус
- Обоснование выбора должно учитывать критерии: устойчивость, доступность, ремонтопригодность
- Можно приложить рисунок или схему (от руки или в редакторе)
Форма сдачи:
В системный паспорт проекта: Добавьте раздел «Компоновка» с таблицей 3 идей и обоснованием выбора.
Пример таблицы:
| Идея | Плюсы | Минусы |
|---|---|---|
| Батарея снизу, плата сверху | Низкий центр тяжести | Сложно менять батарею |
🔍 Дополнительно
❓ Частые вопросы по теме
Что делать, если в группе кто-то доминирует и не дает другим высказаться?
Модератор должен следить за этим. Можно ввести правило «каждый по очереди» или давать по 30 секунд на идею каждому участнику. Если кто-то очень активный, попросите его записывать идеи других, а не предлагать свои.
Как оценивать «безумные» идеи? Они же нереализуемы!
На этапе генерации мы не оцениваем идеи вообще. Безумная идея может натолкнуть на реалистичное решение. Например, идея «подвесить батарею на веревках» может привести к идее «сделать подвесную платформу для батареи на резинках для амортизации».
Что делать, если идей очень мало?
Используйте наводящие вопросы, смотрите на макет, переворачивайте его, меняйте компоненты местами. Можно взять тайм-аут на 2 минуты, чтобы каждый подумал молча, а потом снова собрать идеи. Иногда тишина помогает.
🔗 Полезные ссылки
- MindTools: Brainstorming — техники мозгового штурма
- YouTube: Как проводить мозговой штурм — видео-инструкция
- Материалы для печати: Контуры шасси и бумажные компоненты можно скачать и распечатать заранее. Рекомендуется плотная бумага.
20. Этапы системного анализа. Модели в системном анализе
📋 План занятия
- 00:00-00:08: Основные этапы системного анализа. Инфографика
- 00:08-00:18: Наложение этапов на наш проект (ретроспектива)
- 00:18-00:28: Понятие модели. Типы моделей в проекте
- 00:28-00:35: Практика: заполнение таблицы моделей в группах
- 00:35-00:40: Обсуждение итеративности. Объяснение ДЗ
🎯 Основной материал
Ключевые понятия:
- Системный анализ: Методология исследования сложных систем для принятия решений
- Этапы системного анализа: Последовательность шагов от постановки задачи до реализации решения
- Модель: Упрощенное представление реальной системы, сохраняющее ее существенные свойства
- Типы моделей: Информационные, материальные, математические, имитационные, графические и др.
- Итеративность: Возможность возврата на предыдущие этапы для уточнения решений
💡 7 этапов системного анализа
Постановка задачи
Определение целей, границ системы, критериев успеха. Формулировка проблемы.
Анализ структуры
Выделение элементов, подсистем, связей между ними. Декомпозиция системы.
Формулировка альтернатив
Генерация возможных вариантов решения. Мозговой штурм, поиск вариантов.
Выбор критериев
Определение показателей для сравнения альтернатив. Веса критериев.
Оценка альтернатив
Сравнение вариантов по выбранным критериям. Парето-анализ, МАИ.
Принятие решения
Выбор оптимального варианта с учетом всех факторов и ограничений.
Реализация
Воплощение решения в жизнь, создание прототипа, тестирование, доработка.
Этапы системного анализа в проекте Line Follower
| Этап | Что сделано / планируется | Статус |
|---|---|---|
| 1. Постановка задачи | Создать робота, движущегося по черной линии. Определены требования: скорость, точность, автономность. | ✔ Выполнено |
| 2. Анализ структуры | Разобрали робота на подсистемы: сенсорная, управляющая, исполнительная, механическая (урок 14). | ✔ Выполнено |
| 3. Формулировка альтернатив | Рассмотрели варианты: 2, 3, 5 датчиков (урок 16). Провели мозговой штурм по компоновке (урок 19). | ✔ Выполнено |
| 4. Выбор критериев | Определили критерии: точность, стоимость, сложность, вес, прочность. Назначили веса (урок 16). | ✔ Выполнено |
| 5. Оценка альтернатив | Сравнили конфигурации датчиков (урок 16), модели шасси по Парето (урок 17), контроллеры по МАИ (урок 18). | ⚡ В процессе |
| 6. Принятие решения | Выбор финальной конфигурации на основе оценок и экспертизы. | ⌛ Планируется |
| 7. Реализация | 3D-печать шасси, сборка, программирование, тестирование, доработка. | ⌛ Планируется |
Примечание: Реальный процесс итеративен — мы можем возвращаться на предыдущие этапы при обнаружении проблем.
Типы моделей в проекте Line Follower
| Тип модели | Пример в проекте | Для чего нужна |
|---|---|---|
| Информационная | Чертеж шасси с размерами, схема соединений, блок-схема алгоритма | Описывает структуру и связи между компонентами, служит основой для реализации |
| Материальная | Напечатанное на 3D-принтере шасси, бумажный макет компоновки (урок 19) | Позволяет проверить геометрию, размещение компонентов, механическую прочность |
| Математическая | Расчет центра тяжести, балансировка, ПИД-регулятор для движения по линии | Предсказывает поведение робота, позволяет настроить параметры без многократных полевых тестов |
| Имитационная | Модель в Engee (или другом симуляторе) для отладки алгоритмов без реального робота | Экономит время и ресурсы, позволяет тестировать экстремальные режимы |
| Графическая | 3D-модель шасси в CAD-программе (SolidWorks, Tinkercad) | Визуализация, подготовка к печати, проверка сочленений |
Практическое задание в группах (7 минут)
Задача: Заполнить таблицу типов моделей для вашего конкретного проекта
Цель: Научиться классифицировать модели и понимать их роль в системном анализе
Инструкция:
- В группах по 3-4 человека обсудите, какие модели вы уже использовали или планируете использовать в проекте
- Заполните таблицу (на листе или в тетради) по образцу:
| Тип модели | Пример в нашем проекте | Для чего нужна |
|---|---|---|
| Информационная | _______________ | _______________ |
| Материальная | _______________ | _______________ |
| Математическая | _______________ | _______________ |
Вопросы для обсуждения: Какие модели самые важные? Без какой модели проект невозможен?
📝 Домашнее задание
Этапы системного анализа и модели в проекте
Цель задания: Систематизировать знания о пройденных этапах и используемых моделях
Что нужно сделать (доработка классной работы):
- Описать пройденные и планируемые этапы системного анализа применительно к вашему проекту. Для каждого этапа (из 7) указать:
- Что уже сделано (конкретные шаги, решения, даты)
- Что предстоит сделать
- Были ли возвраты на предыдущие этапы (итерации)?
- Для каждого типа модели, используемой в проекте, привести конкретный пример:
- Информационная модель (какая именно)
- Материальная модель
- Математическая модель
- Имитационная модель (если есть)
- Графическая модель
- Кратко пояснить роль каждой модели в проекте (зачем она нужна)
Требования к выполнению:
- Этапы должны быть описаны конкретно, с привязкой к реальным действиям (не «подумали», а «провели мозговой штурм 17.02»)
- Для этапов, которые еще не пройдены, указать примерные сроки
- Модели должны быть реально существующими в проекте (или планируемыми)
- Примеры должны быть конкретными: не «чертеж», а «чертеж шасси в масштабе 1:1 с размерами 150×100 мм»
Форма сдачи:
В системный паспорт проекта: Добавьте разделы «Этапы системного анализа» и «Модели в проекте» с заполненными таблицами и пояснениями.
Пример оформления этапов:
| Этап | Что сделано | Планируется |
|---|---|---|
| 1. Постановка задачи | 13.01: определили цель — робот для движения по линии | — |
Пример оформления моделей:
| Тип модели | Конкретный пример | Роль в проекте |
|---|---|---|
| Информационная | Блок-схема алгоритма ПИД-регулятора | Понимание логики управления |
🔍 Дополнительно
❓ Частые вопросы по теме
Почему этапов именно 7? В разных источниках их разное количество.
Количество этапов может варьироваться в зависимости от подхода. Важна не цифра, а логика: мы всегда начинаем с постановки задачи, затем анализируем, ищем варианты, сравниваем, выбираем и реализуем. 7 этапов — удобная для запоминания классификация, которая покрывает все ключевые шаги.
Что значит «итеративность» на практике?
Итеративность означает, что мы можем вернуться на предыдущий этап, если на текущем возникли проблемы. Например: при печати шасси (этап 7) выяснилось, что отверстия под датчики не подходят. Мы возвращаемся на этап 2 (анализ структуры), корректируем модель, и снова идем на этап 7. Такой цикл может повторяться несколько раз.
Модель и прототип — это одно и то же?
Не совсем. Прототип — это рабочий образец продукта. Модель — это упрощенное представление. Прототип может быть одним из видов модели (материальной), но не все модели являются прототипами. Например, математическая модель в Excel — это не прототип, но важная часть проектирования.
🔗 Полезные ссылки
- YouTube: Что такое системный анализ? — вводное видео
- Tinkercad — онлайн-инструмент для 3D-моделирования
- Engee — платформа для математического моделирования
- Книга: «Системный анализ в управлении» — Анфилатов В.С. (глава 2 — этапы системного анализа)
21. Основы системного анализа. Жизненный цикл системы
План занятия
- 00:00-00:10: Понятие жизненного цикла (ЖЦ) системы. Ключевые понятия.
- 00:10-00:20: Разбор основных этапов ЖЦ: от идеи до утилизации.
- 00:20-00:30: Связь с проектом: проектирование ЖЦ первого прототипа робота LFR.
- 00:30-00:40: Практическая работа по ролям. Постановка задач.
Основной материал
Ключевые понятия:
- Жизненный цикл (ЖЦ) системы: Полный период времени от зарождения идеи системы до окончания её существования (утилизации).
- Этапы ЖЦ: Крупные временные отрезки, характеризующиеся определенным состоянием системы и видом работ над ней.
Раздел 5. Жизненный путь системы. Характеристика основных этапов.
Связь с проектом: Проектирование жизненного цикла первого прототипа.
Основные этапы жизненного цикла системы:
- Зарождение идеи (Концепция): Формулировка потребности, определение целей создания системы. Для нас — зачем нужен робот LFR, какие функции должен выполнять.
- Проектирование: Создание проекта, разработка спецификаций, чертежей, принципиальных схем. Выбор компонентов.
- Изготовление (Реализация): Создание прототипа, 3D-печать деталей, сборка механической части, монтаж электроники.
- Испытания (Тестирование): Проверка работоспособности, выявление ошибок, отладка программного обеспечения.
- Эксплуатация: Использование робота по назначению, участие в соревнованиях, отработка алгоритмов.
- Утилизация (Завершение): Снятие с эксплуатации, разборка, переработка материалов или использование компонентов в новых проектах.
Практическая работа: Задачи по ролям
Цель: Применить теоретические знания о ЖЦ для планирования работ над прототипом.
Задачи для ролей:
1️⃣ Главный инженер
- Провести оценку наличия компонентов согласно спецификации и схеме расположения.
- Выбрать наиболее важные детали, которые критически необходимо смоделировать в первую очередь (например, шасси, крепления моторів, держатели датчиков).
- Результат: Подготовить письменное задание (техническое задание) для инженерного практикума, содержащее перечень этих деталей и обоснование их важности.
2️⃣ Проектировщик(и)
- Оказать помощь главному инженеру в поиске уже готовых 3D-моделей компонентов.
- Проверить наличие моделей на общедоступных платформах (GrabCAD, Thingiverse и др.).
- Результат: Сформировать подборку ссылок на найденные готовые модели для ускорения процесса конструирования.
Примечание: Работа над задачами ведется в рамках этапа «Проектирование» жизненного цикла прототипа.
Домашнее задание
Доработка задач с урока по индивидуальным планам
Что нужно сделать:
- Доработать и завершить задачи, поставленные на уроке перед вашей ролью.
- Главному инженеру: Оформить итоговую версию «Задания на инженерный практикум» со списком деталей для моделирования.
- Проектировщику: Систематизировать найденные готовые модели в отдельный документ с указанием источника и предполагаемого использования.
- Быть готовым представить результаты на следующем уроке (Инженерный практикум).
Требования к выполнению:
- Задание должно быть выполнено в электронном виде.
- Список деталей у главного инженера должен быть ранжирован по приоритету (от самых важных к менее важным).
- Для каждой найденной модели проектировщик должен указать, подходит ли она «как есть» или требует доработки.
Форма сдачи:
Файлы принимаются в форматах .txt, .docx или .pdf. Ссылки на модели должны быть кликабельными.
Дополнительно
❓ Частые вопросы по теме
Зачем нам рассматривать этап утилизации, если робот еще не создан?
Системный анализ требует рассматривать систему целиком. Заранее продумывая, что будет с роботом после соревнований, мы закладываем возможность повторного использования дорогих компонентов (моторов, контроллеров) в будущих проектах. Это экономит бюджет и время.
Может ли прототип «жить» несколько циклов?
Да, это называется итеративным проектированием. Прототип может пройти через этапы «Испытания» → «Доработка» (возврат к проектированию) несколько раз, пока не будет достигнут нужный результат. Каждый такой проход — это виток жизненного цикла.
Полезные ссылки
- GrabCAD — крупнейшая библиотека готовых CAD-моделей.
- Thingiverse — база моделей для 3D-печати.
- ГОСТ Р 57102-2016 (ISO/IEC 12207:2008) — стандарт на процессы жизненного цикла программных средств (для углубленного изучения).
22. Основы системного анализа. Этап проектирования
План занятия
- 00:00-00:10: Раздел 5. Жизненный путь системы. Характеристика этапов.
- 00:10-00:20: Подробное описание этапа "Проектирование".
- 00:20-00:40: Практическая работа по ролям.
Основной материал
Этап "Проектирование" жизненного цикла системы
Проектирование — это этап, на котором идея превращается в техническую документацию. Включает:
- Разработка спецификаций: полный список компонентов и их характеристик.
- Создание 3D-моделей: разработка недостающих узлов (крепления, корпуса, опоры).
- Поиск готовых решений: анализ существующих моделей и их адаптация.
- Компоновка: виртуальная сборка всех компонентов для проверки совместимости.
- Верификация: проверка соответствия моделей реальным размерам.
На этом уроке мы продолжаем работу над проектированием первого прототипа робота LFR.
️ Практическая работа: Задачи по ролям
1️⃣ Главный инженер
- Провести проверку и верификацию найденных моделей на основе работы контролера с ПКУ-21 (таблица верификации).
- Сверить замечания проектировщика с ОСА-21 (список приоритетных деталей для моделирования).
- Составить итоговый список моделей, которые требуют доработки или перепроектирования.
- Результат: Письменное заключение по каждой модели: "соответствует", "требует правок" или "переделать".
2️⃣ Проектировщик(и)
- На основе замечаний главного инженера внести правки в 3D-модели.
- Для моделей с критическими отклонениями (более 0.2 мм) выполнить корректировку размеров.
- Сохранить исправленные версии с новыми именами (например, "Деталь_v2").
- Результат: Готовые к компоновке модели (файлы .step или .stl).
Домашнее задание
Доработка задач с урока по индивидуальным планам
- Главному инженеру: Оформить итоговый отчёт по верификации моделей (таблица со статусами).
- Проектировщику: Завершить внесение правок в модели, подготовить их к компоновке.
- Все файлы загрузить в папку команды.
23. Основы системного анализа. Проектирование узлов
План занятия
- 00:00-00:10: Раздел 5. Жизненный путь системы. Этап проектирования (продолжение).
- 00:10-00:20: Детализация проектирования: разработка креплений, опор, планок.
- 00:20-00:40: Практическая работа по ролям.
Основной материал
Этап "Проектирование" (продолжение)
На предыдущих уроках мы выполнили компоновку робота и верификацию моделей. Теперь переходим к проектированию недостающих узлов:
- Крепления моторов: должны жестко фиксировать моторы, не допуская люфта.
- Планка для датчиков: обеспечивает правильное расположение датчиков линии (высота, симметрия).
- Опоры рамы: задают клиренс робота и защищают электронику снизу.
- Держатели для электроники: крепление Arduino, драйвера, батарейного отсека.
Важно: все проектируемые узлы должны учитывать реальные размеры компонентов и не мешать друг другу.
️ Практическая работа: Задачи по ролям
1️⃣ Главный инженер
- На основе работы главного инженера с КПУ-22 (список проектируемых узлов) сформулировать итоговое задание на разработку.
- Для каждого узла указать:
- Назначение и требования (материал, прочность, способ крепления).
- Ориентировочные размеры (привязанные к компоновке).
- Совместимость с соседними компонентами.
- Результат: Письменное ТЗ для проектировщика (можно в виде таблицы).
2️⃣ Проектировщик(и)
- Приступить к проектированию узлов по заданию главного инженера.
- Создать первые версии моделей (эскизы, простые формы для проверки совместимости).
- Согласовать с главным инженером до перехода к чистовым моделям.
- Результат: Черновые 3D-модели узлов.
Домашнее задание
Доработка задач с урока по индивидуальным планам
- Главному инженеру: Доработать ТЗ с учётом обратной связи от проектировщика.
- Проектировщику: Завершить черновые модели узлов, подготовить их к вставке в общую сборку.
24. Основы системного анализа. Этап изготовления. Крепежные элементы
План занятия
- 00:00-00:10: Раздел 5. Жизненный путь системы. Этап "Изготовление".
- 00:10-00:20: Крепежные элементы: разновидности, стандарты, применение.
- 00:20-00:40: Практическая работа: добавление крепежа на сборку.
Основной материал
Этап "Изготовление" жизненного цикла системы
На этом этапе происходит физическая реализация проекта: 3D-печать деталей, сборка узлов, монтаж электроники. Ключевая задача — точное соответствие разработанной документации.
Крепежные элементы: разновидности
Для сборки робота LFR потребуются следующие типы крепежа:
| Тип | Обозначение | Применение | Особенности |
|---|---|---|---|
| Винт с потайной головкой | М3×8, М3×12, М3×16 | Крепление моторов, плат, планок | Головка заподлицо с поверхностью |
| Винт с полукруглой головкой | М3×6, М3×10 | Крепление электроники, датчиков | Не требует цековки |
| Гайка | М3 (обычная, самоконтрящаяся) | Фиксация винтов | Самоконтрящиеся не откручиваются от вибрации |
| Шайба | М3 (плоская, гровер) | Увеличение площади прижима, защита от самооткручивания | Гровер — пружинная шайба |
| Стойка (винт-втулка) | М3×10 + М3×10 | Крепление плат с зазором | Бывают разных длин |
Правила подбора:
- Длина винта = толщина скрепляемых деталей + толщина гайки + 1-2 мм запаса.
- Для пластика лучше использовать винты с крупным шагом резьбы (стандартные М3).
- В вибронагруженных узлах (моторы) обязательны самоконтрящиеся гайки или гровер-шайбы.
️ Практическая работа: Задачи по ролям
1️⃣ Главный инженер
- На основе компоновочной модели (результат ИПрак-23) добавить крепежные элементы в сборку.
- Определить места крепления всех узлов: моторы, датчики, Arduino, драйвер, батарея.
- Подобрать типоразмеры винтов и гаек для каждого соединения.
- Разместить крепеж в модели (упрощенные модели винтов/гаек или отверстия с резьбой).
- Результат (сдача блока): 3D-модель сборки с добавленным крепежом (или отверстиями под крепеж).
2️⃣ Проектировщик(и)
- При необходимости дорабатывать посадочные места под крепеж по заданию главного инженера.
- Создать отдельные модели крепежных элементов (винты, гайки) для использования в сборке (если нет готовой библиотеки).
- Результат: Библиотека крепежа или доработанные модели узлов.
Домашнее задание
Доработка задач с урока по индивидуальным планам
- Главному инженеру: Завершить расстановку крепежа, проверить все соединения.
- Проектировщику: Доработать модели узлов с учётом крепежа, подготовить финальные версии.
25. Основы системного анализа. Система в переходных и критических состояниях
📃 План занятия
- 00:00-00:10: Понятие переходного и критического состояния системы.
- 00:10-00:20: Анализ робота на сложных участках трассы: вход в поворот, движение по дуге, выход на прямую.
- 00:20-00:30: Устойчивость системы. Причины возможных сбоев (потеря линии, переворот).
- 00:30-00:40: Практическая работа: прогнозирование критических состояний и мер по их устранению.
📖 Основной материал
Переходное и критическое состояние системы
Переходное состояние — это период, когда система изменяет свои параметры под воздействием внешних или внутренних факторов. Для робота LFR переходные состояния возникают при входе в поворот, выходе из него, при смене освещённости или рельефа трассы.
Критическое состояние — это ситуация, при которой система теряет способность выполнять целевую функцию. Для робота это: потеря линии, переворот, зависание программы, разряд батареи в процессе движения.
Устойчивость системы — способность возвращаться в заданный режим после возмущения. В контексте LFR устойчивость проявляется в способности робота удерживаться на линии даже при резких поворотах или неровностях трассы.
Типичные причины сбоев на трассе:
- Потеря линии: слишком высокая скорость, недостаточная чувствительность датчиков, резкий поворот.
- Переворот: высокий центр тяжести, резкое изменение направления, зацеп колёсами.
- Зависание программы: бесконечный цикл, необработанное исключение, переполнение памяти.
🛠️ Практическая работа: Задачи по ролям
1️⃣ Главный инженер
- На основе компоновочной модели (ИПрак-24) спрогнозировать 2-3 потенциальных критических состояния для робота на типовой трассе.
- Для каждого состояния описать: при каком участке трассы возникает, какие факторы влияют.
- Результат: Список критических состояний с описанием.
2️⃣ Проектировщик
- Для каждого критического состояния, выявленного главным инженером, предложить по 1 мере (аппаратной или программной) для повышения устойчивости или выхода из сбоя.
- Меры могут включать: изменение конструкции (добавление опор, смещение центра тяжести), настройку ПО (ограничение скорости, зоны нечувствительности), аппаратную защиту (демпферы, ограничители хода).
- Результат: Таблица «Критическое состояние → мера устранения».
Совместный результат урока: Документ, который будет передан в ИПрак-25 и ПКУ-25 для учёта при печати деталей и настройке кода.
📑 Домашнее задание
Что нужно сделать:
- Главному инженеру: Оформить итоговый отчёт по критическим состояниям (список с описанием).
- Проектировщику: Оформить таблицу мер по устранению критических состояний.
- Совместно: подготовить документ для передачи в другие дисциплины.
26. Основы системного анализа. Системные аспекты проектной деятельности. Формулировка ТЗ
📃 План занятия
- 00:00-00:10: Проектная деятельность как создание новых систем.
- 00:10-00:20: Системные аспекты: учёт взаимосвязей подсистем, формализация требований и ограничений.
- 00:20-00:30: Структура технического задания (ТЗ) на учебный прототип.
- 00:30-00:40: Практическая работа: формулировка требований для финальной версии прототипа.
📖 Основной материал
Системные аспекты проектной деятельности
Проектная деятельность — это создание новых систем, удовлетворяющих определённые потребности. Ключевые аспекты:
- Взаимосвязи подсистем: изменение в механике влияет на электронику и ПО. Например, увеличение колёс требует пересчёта скоростей и калибровки датчиков.
- Формализация требований: требования должны быть чёткими, измеримыми и проверяемыми. Нельзя написать «робот должен ехать быстро» — нужно указать «скорость прохождения трассы не менее 1 м/с».
- Ограничения: бюджет, габариты, вес, используемые материалы, доступные компоненты.
Структура технического задания (ТЗ) на учебный прототип
📋 Техническое задание «Базовый прототип робота LFR V1.0»
1. Назначение: Робот должен автономно следовать по чёрной линии шириной 15-18 мм на белом фоне, без внешнего управления.
2. Требования к подсистемам:
- Механика: шасси напечатано из PLA, габариты не более 15×15 см, масса не более 500 г.
- Электроника: контроллер Arduino Uno, драйвер моторов L298N, массив из 5 датчиков TCRT5000.
- Программное обеспечение: реализует П-регулятор, калибровку «на лету», скорость регулируется ШИМ.
3. Интерфейсы: датчики подключаются к аналоговым пинам A0-A4, моторы — к цифровым пинам 5-10.
4. Ограничения: бюджет на электронику не более 2000 руб., время автономной работы не менее 15 минут.
5. Критерии приёмки: успешное прохождение трассы длиной 5 м с двумя поворотами 90° без сходов.
🛠️ Практическая работа: Задачи по ролям
1️⃣ Главный инженер
- На основе прогнозов критических состояний (ОСА-25) и опыта сборки шасси (ИПрак-25) сформулировать уточнённые требования к механике, компоновке и ПО.
- Требования должны быть чёткими и проверяемыми.
- Результат: Список требований для ТЗ.
2️⃣ Проектировщик
- Составить итоговый раздел «Технические требования к Базовому прототипу V1.0» (5-7 чётких, проверяемых пунктов) по структуре выше.
- Включить требования по механике, электронике, ПО и ограничениям.
- Результат: Готовый раздел ТЗ для паспорта проекта.
📑 Домашнее задание
- Главному инженеру: Доработать список требований с учётом обратной связи.
- Проектировщику: Оформить финальную версию ТЗ для паспорта проекта.
27. Основы системного анализа. Подготовка к испытаниям. Протокол испытаний
📃 План занятия
- 00:00-00:10: Организация финальных испытаний. Критерии оценки.
- 00:10-00:20: Структура протокола испытаний. Что в него входит.
- 00:20-00:30: Чек-лист готовности робота к испытаниям.
- 00:30-00:40: Практическая работа: разработка протокола для своей команды.
📖 Основной материал
Организация финальных испытаний
Испытания — это проверка соответствия робота заявленным требованиям. Для объективной оценки необходимо:
- Чётко определить критерии успеха (время прохождения, количество сходов, стабильность).
- Подготовить трассу с известными параметрами (формат А0, ширина линии 15-18 мм).
- Зафиксировать условия проведения (освещение, состояние поверхности).
- Назначить ответственных: секундометрист, судья на линии, фиксатор результатов.
Структура протокола испытаний
📋 ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ
Дата: _______________ Команда: _______________
Состав комиссии: __________________________________________________
Описание трассы: Формат А0, ширина линии 18 мм, белый фон, один перекресток, два поворота 90°.
Чек-лист готовности:
| Параметр | Статус | Примечание |
|---|---|---|
| Батарея заряжена | ☐ | |
| Датчики очищены | ☐ | |
| Колёса не задевают раму | ☐ | |
| Код загружен | ☐ | |
| Калибровка выполнена | ☐ |
Результаты заездов:
| № попытки | Время прохождения (с) | Количество сходов | Вердикт | Замечания |
|---|---|---|---|---|
| 1 | ||||
| 2 | ||||
| 3 | ||||
| 4 | ||||
| 5 |
Итоговое заключение: ☐ Зачёт / ☐ Не зачёт
Предложения по доработке: ___________________________________________
Подписи: _________________________ (главный инженер), _________________________ (конструктор), _________________________ (программист)
🛠️ Практическая работа: Задачи по ролям
1️⃣ Главный инженер
- Разработать «Протокол испытаний» для своей команды по предложенному шаблону.
- Подготовить чек-лист готовности робота к испытаниям.
- Результат: Заполненный шаблон протокола.
2️⃣ Проектировщик
- Помочь главному инженеру с оформлением протокола.
- Подготовить бланки для фиксации результатов заездов.
- Результат: Готовые бланки для печати.
📑 Домашнее задание
- Главному инженеру: Распечатать протоколы для испытаний (минимум 3 экземпляра).
- Проектировщику: Подготовить ручки, секундомер, фиксирующие материалы.
29. Основы системного анализа. Введение в системный анализ
📃 План занятия
- 00:00-00:10: Разбор экзаменационных вопросов 1-4 (система, подсистемы, внешняя среда, системный эффект)
- 00:10-00:20: Разбор вопросов 5-7 (классификация систем, этапы СА, модель)
- 00:20-00:30: Практические задания 1-3: системный паспорт, классификация, этапы СА
- 00:30-00:40: Объяснение домашнего задания. Подготовка к экзамену
📖 Экзаменационные вопросы (часть 1)
▶ Развернутый ответ
Система — это целостное образование, состоящее из взаимосвязанных частей, которое обладает свойствами, отсутствующими у каждой из этих частей по отдельности. Три признака системы: 1) целостность, 2) наличие элементов, 3) наличие связей между элементами.
Пример отличия: По отдельности рама, колеса, педали и цепь не могут перевозить человека. Но когда они соединены связями, возникает система «велосипед» со способностью перемещать человека. Это называется системным эффектом.
Другие примеры: буквы → слова (появляется смысл); ноты → мелодия (появляются эмоции).
▶ Развернутый ответ
1. Сенсорная подсистема: датчики (ИК, фотодиоды) — получают информацию об окружающей среде.
2. Управляющая подсистема: микроконтроллер, программа — обрабатывает сигналы и принимает решения.
3. Исполнительная подсистема: двигатели, драйвер, колеса — физическое воздействие.
4. Механическая подсистема: рама, крепления, корпус — обеспечивает целостность конструкции.
5. Энергетическая подсистема: аккумулятор, провода, стабилизатор — питание всех компонентов.
▶ Развернутый ответ
Внешняя среда — совокупность объектов, явлений и процессов за границами системы, которые на нее влияют.
Почему важна: 1) Определяет границы системы. 2) Требует адаптации. 3) Помогает прогнозировать поведение. 4) Обеспечивает устойчивость. 5) Позволяет оптимизировать систему.
Пример для робота: трасса, освещение, температура. При плохом освещении датчики могут ошибаться — хорошая система должна калиброваться автоматически.
▶ Развернутый ответ
Системный эффект (эмерджентность) — возникновение у системы новых качеств, которых нет у отдельных элементов. Формула: свойства системы ≠ сумма свойств элементов.
Пример из жизни: отдельные ноты не вызывают эмоций, но их последовательность (мелодия) может радовать или грустить. Детали конструктора по отдельности бесполезны, но собранная модель машинки ездит.
▶ Развернутый ответ
1. По происхождению: естественные (лес, река), искусственные (робот, компьютер), смешанные (город).
2. По сложности: простые (рычаг), сложные (компьютер), сверхсложные (мозг, экономика).
3. По управляемости: управляемые (робот), неуправляемые (погода), самоорганизующиеся (рой пчел).
4. По динамике: статические (здание), динамические (движущийся робот).
▶ Развернутый ответ
1. Постановка задачи — определение цели и границ.
2. Анализ структуры (декомпозиция) — разбиение на подсистемы.
3. Формулировка альтернатив — поиск вариантов решения.
4. Выбор критериев — определение показателей для сравнения.
5. Оценка альтернатив — сравнение вариантов (Парето, МАИ).
6. Принятие решения — выбор оптимального варианта.
7. Реализация и контроль — воплощение и тестирование.
▶ Развернутый ответ
Модель — упрощенное представление объекта, сохраняющее существенные свойства.
Информационная модель: схема метро, рецепт блюда, блок-схема.
Материальная модель: глобус, макет здания, игрушечная машинка.
Математическая модель: формула S=v×t, график температуры.
✏️ Практические задания (из 10 вариантов)
📌 Практическое задание №1 (аналог Варианта 1 из ПЗ)
Системный паспорт устройства
Составьте системный паспорт для электрического чайника:
- Название системы
- Состав (не менее 4 элементов)
- Связи между элементами
- Внешняя среда
- Главная функция
| Устройство | Элементы | Связи | Внешняя среда | Функция |
|---|---|---|---|---|
| Чайник | Корпус, ТЭН, термостат, кнопка включения | ТЭН нагревается → вода кипит → термостат отключает | Электросеть, температура воздуха | Нагрев воды |
📌 Практическое задание №2 (аналог Варианта 8 из ПЗ)
Классификация систем
Классифицируйте следующие системы: аквариум, автобус, лесной массив.
| Система | Происхождение | Динамика | Управляемость |
|---|---|---|---|
| Аквариум | Искусственная | Динамическая | Управляемая |
| Автобус | Искусственная | Динамическая | Управляемая |
| Лесной массив | Естественная | Динамическая | Самоорганизующаяся |
📌 Практическое задание №3 (аналог Варианта 7, часть 1 из ПЗ)
Этапы системного анализа для обучения
Опишите этапы системного анализа для задачи: «Научиться играть на гитаре».
| Этап | Что делаем |
|---|---|
| 1. Постановка задачи | Научиться играть 3 песни за 2 месяца |
| 2. Анализ структуры | Разбиваем навыки: аккорды, ритм, техника |
| 3. Альтернативы | Самоучка, учитель, онлайн-курсы |
| 4. Критерии | Время, стоимость, качество обучения |
| 5. Оценка | Сравниваем варианты |
| 6. Решение | Выбираем онлайн-курсы |
| 7. Реализация | Занимаемся по курсу, тренируемся |
📑 Домашнее задание
Теория Подготовка по вопросам 1-7: Выучить определения и примеры. Уметь объяснять системный эффект, классификацию систем и этапы СА.
Задание 1 Составьте системный паспорт для стиральной машины (элементы, связи, среда, функция).
Задание 2 Классифицируйте системы: компьютер, погода, школьный класс, растение — по 3 признакам.
Задание 3 Опишите этапы системного анализа для задачи: «Выбрать компьютер для учебы и игр».
29. Основы системного анализа. Введение в системный анализ
📃 План занятия
- 00:00-00:10: Разбор экзаменационных вопросов 1-4 (система, подсистемы, внешняя среда, системный эффект)
- 00:10-00:20: Разбор вопросов 5-7 (классификация систем, этапы СА, модель)
- 00:20-00:30: Практические задания 1-3: системный паспорт, классификация, этапы СА
- 00:30-00:40: Объяснение домашнего задания. Подготовка к экзамену
📖 Экзаменационные вопросы (часть 1)
▶ Развернутый ответ
Система — это целостное образование, состоящее из взаимосвязанных частей, которое обладает свойствами, отсутствующими у каждой из этих частей по отдельности. Три признака системы: 1) целостность, 2) наличие элементов, 3) наличие связей между элементами.
Пример отличия: По отдельности рама, колеса, педали и цепь не могут перевозить человека. Но когда они соединены связями, возникает система «велосипед» со способностью перемещать человека. Это называется системным эффектом.
Другие примеры: буквы → слова (появляется смысл); ноты → мелодия (появляются эмоции).
▶ Развернутый ответ
1. Сенсорная подсистема: датчики (ИК, фотодиоды) — получают информацию об окружающей среде.
2. Управляющая подсистема: микроконтроллер, программа — обрабатывает сигналы и принимает решения.
3. Исполнительная подсистема: двигатели, драйвер, колеса — физическое воздействие.
4. Механическая подсистема: рама, крепления, корпус — обеспечивает целостность конструкции.
5. Энергетическая подсистема: аккумулятор, провода, стабилизатор — питание всех компонентов.
▶ Развернутый ответ
Внешняя среда — совокупность объектов, явлений и процессов за границами системы, которые на нее влияют.
Почему важна: 1) Определяет границы системы. 2) Требует адаптации. 3) Помогает прогнозировать поведение. 4) Обеспечивает устойчивость. 5) Позволяет оптимизировать систему.
Пример для робота: трасса, освещение, температура. При плохом освещении датчики могут ошибаться — хорошая система должна калиброваться автоматически.
▶ Развернутый ответ
Системный эффект (эмерджентность) — возникновение у системы новых качеств, которых нет у отдельных элементов. Формула: свойства системы ≠ сумма свойств элементов.
Пример из жизни: отдельные ноты не вызывают эмоций, но их последовательность (мелодия) может радовать или грустить. Детали конструктора по отдельности бесполезны, но собранная модель машинки ездит.
▶ Развернутый ответ
1. По происхождению: естественные (лес, река), искусственные (робот, компьютер), смешанные (город).
2. По сложности: простые (рычаг), сложные (компьютер), сверхсложные (мозг, экономика).
3. По управляемости: управляемые (робот), неуправляемые (погода), самоорганизующиеся (рой пчел).
4. По динамике: статические (здание), динамические (движущийся робот).
▶ Развернутый ответ
1. Постановка задачи — определение цели и границ.
2. Анализ структуры (декомпозиция) — разбиение на подсистемы.
3. Формулировка альтернатив — поиск вариантов решения.
4. Выбор критериев — определение показателей для сравнения.
5. Оценка альтернатив — сравнение вариантов (Парето, МАИ).
6. Принятие решения — выбор оптимального варианта.
7. Реализация и контроль — воплощение и тестирование.
▶ Развернутый ответ
Модель — упрощенное представление объекта, сохраняющее существенные свойства.
Информационная модель: схема метро, рецепт блюда, блок-схема.
Материальная модель: глобус, макет здания, игрушечная машинка.
Математическая модель: формула S=v×t, график температуры.
✏️ Практические задания (из 10 вариантов)
📌 Практическое задание №1 (аналог Варианта 1 из ПЗ)
Системный паспорт устройства
Составьте системный паспорт для электрического чайника:
- Название системы
- Состав (не менее 4 элементов)
- Связи между элементами
- Внешняя среда
- Главная функция
| Устройство | Элементы | Связи | Внешняя среда | Функция |
|---|---|---|---|---|
| Чайник | Корпус, ТЭН, термостат, кнопка включения | ТЭН нагревается → вода кипит → термостат отключает | Электросеть, температура воздуха | Нагрев воды |
📌 Практическое задание №2 (аналог Варианта 8 из ПЗ)
Классификация систем
Классифицируйте следующие системы: аквариум, автобус, лесной массив.
| Система | Происхождение | Динамика | Управляемость |
|---|---|---|---|
| Аквариум | Искусственная | Динамическая | Управляемая |
| Автобус | Искусственная | Динамическая | Управляемая |
| Лесной массив | Естественная | Динамическая | Самоорганизующаяся |
📌 Практическое задание №3 (аналог Варианта 7, часть 1 из ПЗ)
Этапы системного анализа для обучения
Опишите этапы системного анализа для задачи: «Научиться играть на гитаре».
| Этап | Что делаем |
|---|---|
| 1. Постановка задачи | Научиться играть 3 песни за 2 месяца |
| 2. Анализ структуры | Разбиваем навыки: аккорды, ритм, техника |
| 3. Альтернативы | Самоучка, учитель, онлайн-курсы |
| 4. Критерии | Время, стоимость, качество обучения |
| 5. Оценка | Сравниваем варианты |
| 6. Решение | Выбираем онлайн-курсы |
| 7. Реализация | Занимаемся по курсу, тренируемся |
📑 Домашнее задание
Теория Подготовка по вопросам 1-7: Выучить определения и примеры. Уметь объяснять системный эффект, классификацию систем и этапы СА.
Задание 1 Составьте системный паспорт для стиральной машины (элементы, связи, среда, функция).
Задание 2 Классифицируйте системы: компьютер, погода, школьный класс, растение — по 3 признакам.
Задание 3 Опишите этапы системного анализа для задачи: «Выбрать компьютер для учебы и игр».
30. Основы системного анализа. Модели и принятие решений
📃 План занятия
- 00:00-00:10: Разбор вопросов 8-10 (типы моделей, итеративность, альтернативы и критерии)
- 00:10-00:20: Разбор вопросов 11-14 (Парето, взвешенная сумма, попарное сравнение)
- 00:20-00:30: Практические задания 4-7: взвешенная сумма, Парето, МАИ, типы моделей
- 00:30-00:40: Объяснение домашнего задания. Подготовка к экзамену
📖 Экзаменационные вопросы (часть 2)
▶ Развернутый ответ
Материальную модель можно потрогать — это физический объект. Информационная модель — описание с помощью знаков, схем, текста.
Примеры материальных моделей: глобус, макет здания, напечатанная на 3D-принтере деталь, игрушечная машинка.
Примеры информационных моделей: чертеж, схема метро, рецепт блюда, формула, блок-схема алгоритма.
В проекте: 3D-модель в Tinkercad (информационная) → напечатанное шасси (материальная).
▶ Развернутый ответ
Итеративность — возможность возвращаться на предыдущие этапы при обнаружении проблем. Реальный процесс не является линейным (1→2→3...), он циклический.
Пример из проекта: Напечатали шасси (этап 7) — отверстия под датчики слишком маленькие. Возвращаемся к этапу 4 (критерии) или этапу 2 (анализ), корректируем чертеж, печатаем заново.
Важно: Итерации — это нормально. Чем раньше найдена ошибка, тем дешевле её исправить.
▶ Развернутый ответ
Альтернатива — один из возможных вариантов решения задачи или достижения цели (то, из чего мы выбираем).
Критерий — признак или показатель, по которому оцениваются и сравниваются альтернативы (то, по чему мы сравниваем).
Пример выбора транспорта: альтернативы — автобус, метро, такси, велосипед. Критерии — время в пути, стоимость, комфорт, экологичность.
Пример из проекта: альтернативы — 2, 3 или 5 датчиков. Критерии — точность, цена, сложность настройки.
▶ Развернутый ответ
Парето-оптимальность — состояние, при котором невозможно улучшить один параметр (критерий) системы, не ухудшив хотя бы один другой параметр. Названа в честь итальянского экономиста Вильфредо Парето.
Бытовой пример (выбор ноутбука): нельзя купить ноутбук, который одновременно самый дешевый, самый легкий, самый мощный и с самой долгой батареей. Всегда приходится искать компромисс.
Пример с квартирой: квартира в центре (дорого, мало метров, но близко) vs квартира в пригороде (дешево, много метров, но далеко). Ни один вариант не доминирует другой — они Парето-оптимальны.
▶ Развернутый ответ
Парето-фронт — множество всех Парето-оптимальных решений на графике (или в пространстве критериев). Это «линия лучших вариантов».
Как использовать Парето-фронт:
- Шаг 1: Отбросить доминируемые варианты (которые не попали на фронт).
- Шаг 2: Понять характер компромисса (например, чем вместительнее рюкзак, тем он тяжелее).
- Шаг 3: Выбрать точку на фронте исходя из своих приоритетов (малый вес → одна точка, максимальная вместительность → другая).
Пример с рюкзаками: легкий (0.8 кг) → для туризма; вместительный (35 л) → для школы.
▶ Развернутый ответ
Метод взвешенной суммы (Weighted Sum Method) — простой способ сравнения альтернатив, когда критерии имеют разную важность.
Алгоритм из 4 шагов:
Шаг 1: Назначить веса критериям (сумма весов = 1 или 100%).
Шаг 2: Оценить каждую альтернативу по каждому критерию (например, по шкале от 1 до 5 или от 1 до 10).
Шаг 3: Умножить каждую оценку на вес соответствующего критерия.
Шаг 4: Сложить полученные произведения для каждой альтернативы. Лучшая альтернатива — с максимальной суммой.
▶ Развернутый ответ
Попарное сравнение — метод определения важности критериев, при котором каждый критерий сравнивается с каждым по отдельности. Людям легче сравнивать два объекта, чем оценивать несколько по абсолютной шкале.
Упрощенная шкала для школьников (вместо шкалы Саати 1-9):
- 1 — критерии равно важны
- 3 — один критерий немного важнее другого
- 5 — один критерий намного важнее другого
- 1/3, 1/5 — обратные значения (когда второй критерий важнее первого)
Пример: при выборе микроконтроллера сравниваем цену и количество портов. Если бюджет ограничен, то цена немного важнее → ставим 3.
✏️ Практические задания (из 10 вариантов)
📌 Практическое задание №4 (аналог Варианта 2 из ПЗ)
Метод взвешенной суммы — выбор настольной лампы
Критерии: Цена (0.3), Яркость (0.4), Удобство (0.2), Долговечность (0.1). Оценки по шкале 1-5 (чем выше, тем лучше).
| Критерий (вес) | Лампа А | Лампа Б | Лампа В |
|---|---|---|---|
| Цена (0.3) | 5×0.3=1.5 | 3×0.3=0.9 | 4×0.3=1.2 |
| Яркость (0.4) | 2×0.4=0.8 | 5×0.4=2.0 | 4×0.4=1.6 |
| Удобство (0.2) | 3×0.2=0.6 | 4×0.2=0.8 | 5×0.2=1.0 |
| Долговечность (0.1) | 2×0.1=0.2 | 4×0.1=0.4 | 5×0.1=0.5 |
| ИТОГО | 3.1 | 4.1 | 4.3 |
✅ Вывод: Лампа В — лучшая (4.3 балла).
📌 Практическое задание №5 (аналог Варианта 3 из ПЗ)
Парето-фронт — выбор рюкзака для школы
| Модель | Вместимость (л) | Вес (кг) | Цена (руб) |
|---|---|---|---|
| А | 20 | 0.8 | 1500 |
| Б | 25 | 1.2 | 2000 |
| В | 30 | 1.5 | 3500 |
| Г | 18 | 0.6 | 1200 |
Парето-фронт: Все 4 модели находятся на фронте, так как каждая хороша по-своему. Нет доминируемых вариантов.
Выбор по приоритетам: малый вес (для туризма) → А или Г; максимальная вместительность (для школы) → В; универсальный компромисс → Б.
📌 Практическое задание №6 (аналог Варианта 4 из ПЗ)
Метод анализа иерархий (МАИ) — выбор планшета
Цель: Выбрать лучший планшет для учебы.
Критерии (3): Цена, Производительность, Экран.
Альтернативы (3): X (дешевый, слабый, экран средний), Y (средний), Z (дорогой, мощный, отличный экран).
Попарные сравнения критериев:
- Цена vs Производительность = 3 (цена немного важнее, так как бюджет ограничен)
- Цена vs Экран = 3 (цена важнее качества экрана)
- Производительность vs Экран = 1 (равно важны)
Вывод: Самый важный критерий — цена. Рекомендуем планшет X (дешевый) для базовых школьных задач.
📌 Практическое задание №7 (аналог Варианта 7, часть 2 из ПЗ)
Типы моделей — пример из обучения игре на гитаре
| Тип модели | Пример в обучении гитаре | Для чего нужна |
|---|---|---|
| Информационная | Табулатура, схема аккордов | Запись музыки, передача знаний, обучение |
| Материальная | Гитара (сам инструмент) | Извлечение звука, физическая практика |
| Математическая | Метроном, расчет длительностей нот | Ритмическая точность, понимание длительностей |
| Имитационная | Видео с разбором песни, приложение-тренажер | Визуализация техники, тренировка без учителя |
📑 Домашнее задание
Теория Подготовка по вопросам 8-14: Выучить определения: материальная vs информационная модель, итеративность, альтернатива и критерий, Парето-оптимальность, Парето-фронт, метод взвешенной суммы, попарное сравнение.
Задание 1 Рассчитайте взвешенную сумму для выбора наушников. Критерии: цена — вес 0.4, качество звука — 0.4, вес наушников — 0.2. Данные: А: 800 руб, 6/10 баллов, 150 г; Б: 1500 руб, 8/10, 200 г; В: 1200 руб, 7/10, 120 г. (Оценки нормировать).
Задание 2 Постройте Парето-фронт для 4 моделей телефонов. Данные: М1: 10000 руб, камера 8/10, батарея 10ч; М2: 15000 руб, 9/10, 8ч; М3: 12000 руб, 7/10, 12ч; М4: 18000 руб, 10/10, 6ч. Какие модели доминируемые?
Задание 3 Приведите по 2 примера каждого типа модели (информационная, материальная, математическая, имитационная) для процесса «приготовление завтрака».
31. Основы системного анализа. Методы анализа и экспертные оценки
📃 План занятия
- 00:00-00:10: Разбор вопросов 15-18 (МАИ, доминирование, мозговой штурм)
- 00:10-00:20: Разбор вопросов 19-20 (экспертиза, бинарная оценка, анкета)
- 00:20-00:30: Практические задания 8-10: МАИ, мозговой штурм, экспертиза
- 00:30-00:40: Объяснение домашнего задания. Итоговая подготовка к экзамену
📖 Экзаменационные вопросы (часть 3)
▶ Развернутый ответ
МАИ — метод структурирования сложных задач выбора. Иерархия из трех уровней:
Уровень 1: Цель — что выбираем («выбрать лучший микроконтроллер»).
Уровень 2: Критерии — по каким признакам сравниваем (цена, порты, размер).
Уровень 3: Альтернативы — варианты выбора (Arduino Uno, Nano, Mega).
Суть: попарные сравнения элементов одного уровня относительно элемента вышестоящего уровня.
▶ Развернутый ответ
Доминируемая альтернатива — вариант, который хуже другого по всем критериям и не лучше ни по одному.
Пример: Авто А (800 тыс, 6 л) vs Авто Б (800 тыс, 7 л) — А доминирует Б.
Почему отбрасываем: При любых приоритетах вариант-доминатор лучше или не хуже. Зачем рассматривать заведомо плохой вариант?
▶ Развернутый ответ
1. Нет критики! Запрещены любые негативные оценки.
2. Чем больше — тем лучше! Количество переходит в качество.
3. Приветствуются безумные идеи! Необычные идеи → прорывные решения.
4. Комбинируй и улучшай! Можно развивать и объединять идеи других.
▶ Развернутый ответ
Экспертиза — систематическая оценка по заранее определенным критериям.
Отличие от субъективного мнения: использует шкалы, документируется, воспроизводима, обоснована.
Пример: «Деталь плохая» (мнение) vs «Отверстие 3 мм вместо 3.2 мм — брак по пункту 2.3 ТУ» (экспертиза).
▶ Развернутый ответ
Бинарная оценка — оценки только два варианта: «да/нет», «годен/не годен», «соответствует/не соответствует».
Когда используется:
- Контроль качества на производстве
- Тесты с ответом «правильно/неправильно»
- Проверка проходного балла («сдал/не сдал»)
- Технический контроль (контакт есть/нет)
▶ Развернутый ответ
Анкета эксперта (экспертный лист) — структурированный документ с критериями и шкалами для единообразной оценки.
Пример критерия для 3D-печати: «Точность отверстий» со шкалой: «не входит / входит туго / входит легко / разболтано».
Другие критерии: наличие наплывов, прочность, качество поверхности, геометрия.
✏️ Практические задания (из 10 вариантов)
📌 Практическое задание №8 (аналог Варианта 5 из ПЗ)
Мозговой штурм — организация хранения в маленькой комнате
Задача: Как разместить максимум вещей, чтобы комната не выглядела захламленной?
Сгенерированные идеи (пример):
- Подвесные полки под потолком
- Кровать с выдвижными ящиками
- Складной стол, который убирается в стену
- Безумная идея: Подвесить всё на магнитах к потолку
- Безумная идея: Хранить вещи во вращающихся барабанах
Реализуемые идеи: подвесные полки + кровать с ящиками.
📌 Практическое задание №9 (аналог Варианта 9 из ПЗ)
Экспертиза и обработка данных — оценка ручек
Бинарная оценка (порог: сумма ≥7, нет 1): Ручки №1 и №3 годны, №2 — брак.
📌 Практическое задание №10 (аналог Варианта 10 из ПЗ)
Парето + МАИ — выбор наушников
| Модель | Цена (руб) | Качество звука (1-10) |
|---|---|---|
| А | 800 | 6 |
| Б | 1500 | 8 |
| В | 2500 | 9 |
| Г | 1200 | 7 |
Парето-фронт: все 4 (нет доминируемых).
Взвешенная сумма (цена 0.5, качество 0.5, нормализация):
- А: (800/2500×0.5 + 6/9×0.5) = 0.16 + 0.33 = 0.49
- Б: (1500/2500×0.5 + 8/9×0.5) = 0.30 + 0.44 = 0.74
- В: (2500/2500×0.5 + 9/9×0.5) = 0.5 + 0.5 = 1.0
- Г: (1200/2500×0.5 + 7/9×0.5) = 0.24 + 0.39 = 0.63
Вывод: В (дорогие) — лучшие по качеству; Б — лучший компромисс.
📑 Домашнее задание
Теория Подготовка по вопросам 15-20: Повторить МАИ, доминирование, 4 правила мозгового штурма, экспертизу, бинарную оценку, анкету эксперта.
Задание 1 Проведите мини-мозговой штурм для задачи: «Как сэкономить время утром перед школой?». Сгенерируйте 10 идей, отметьте 3 безумные и 2 реализуемые.
Задание 2 Проведите экспертизу 3 любых ручек/карандашей по критериям (гладкость письма, толщина линии, удобство). Сделайте бинарную оценку (годен/не годен).
Задание 3 Повторите ВСЕ вопросы 1-20. Будьте готовы к экзамену!
